首页 -> 2008年第11期
多种技能融于一练
作者：王华东 邵伯进
[关键词]综合实训 声光控 印刷电路板
高职院校培养的电子类专业学生，应当以应用操作技能为主，同时也要有一定的理论分析能力。在学习完相关的电工及电子课程后，开设电子综合技能实训课，既可以强化训练学生的动手能力，同时也可以巩固理论知识，提高分析问题、解决问题的水平。因此，在电子综合实训教学中，选取实训课题非常重要。现给大家介绍一例电子综合实训中适用的课题——“实用声光控延时节电开关的制作”。本课题涉及电子技术原理、印刷电路板设计和制作、电子产品装配等多方面知识。课题中的声光控开关具有声控、光控、延时功能，利用无触点零压开关技术，能长年加电，频繁启动，安全可靠，稳定性强，适用于楼梯口、走廊、卫生间等场所。实现人来灯亮，人走灯灭，全自动控制，既方便了照明又可以延长灯泡寿命。该课题实训分为3个阶段。
第一阶段：电路原理分析
工作原理：该开关电路见图１（图中元件参数仅供参考）。220V交流电通过桥式整流加到单相晶闸管阳极上，又通过电阻R2加到门极G上，晶闸管导通灯亮，门极G上无电压时灯熄灭。经过桥式整流得到的脉冲电压经电阻R2限流、稳压管稳压、电容C1滤波，得到＋12Ｖ的直流电压给集成运放LM324提供电源。三极管Ｔ1和Ｔ2都处于开关状态。白天光敏电阻阻值小，运放Ａ2组成电压比较器，输出电压为０。Ａ4为具有正反馈的电压比较器，同相输入端被Ａ2输出端钳位在0.7Ｖ电压上，所以运放Ａ4输出电压为0，三极管Ｔ2截止灯不亮。光线暗时光敏电阻阻值增大，使A2输出正饱和电压，D6反偏不影响A3对A4的控制。无光有声时，经过驻极体话筒把声音变成电信号，经过电容C3藕合到A1组成的放大器中放大，信号再通过C4藕合到A3的同相输入端，经过A3的半波整流得到正向脉冲电压，当电压峰值超过A4的反相端电压时，A4输出高电压使三极管T2饱和，电容C2通过T2放电，T1截止，晶闸管门极G上有电压，灯亮，桥式整流电压通过电阻R3对电容C2充电，当电压达到一定值时T1由截止变成饱和，晶闸管关断，灯熄灭。
第二阶段：印刷电路板设计
在绘制原理图时应注意各元件必须指定封装。封装只是一些几何尺寸，与元件电气特性无关。电源接入端可放置一个2端连接头，两个焊盘之间距离要适当大一些，为此可采用电阻封装AXIAL0.4；集成运放A1~A4是同一个运放LM324的４个单元，在原理图中Designator必须一致，否则到PCB中就会有４个运放了；为减小元件占据PCB的空间，使PCB的布局和布线更易进行，电阻封装用AXIAL0.3，无极性电容、二极管4148、话筒、光敏电阻封装均采用RAD0.2；三极管9013和晶闸管100-6封装本来应该是TO-92A，但考虑到TO-92A三个焊盘间的距离太近，不便于焊接，为此采用TO-92B。由于原理图较复杂，绘制完成后必须仔细检察，特别要注意有些导线十字交叉处是否被自动添加节点，若有则应删除。接下来是进行电气规则检查（ERC），无误后再生成网络表。生成的网络表一定要和原理图仔细核对，在此处花些时间是值得的，否则到PCB时再发现网络表错误，就要多用数倍的时间才能修改弥补，效果还不一定好。
印刷电路板设计的第一步是板框设置，为使电路板能安装到开关盒中，可采用60mm×40mm的矩形板。载入网络表后会普遍出现多处错误，原因是4个整流二极管在原理图库中其两个引脚标号是1和2，而在PCB库中其封装DIODE0.4的两个焊盘编号是A和K，二者不一致导致了与４个二极管相关的网络全部出错。解决的办法有多种，一种方法是对系统的元件库中的对应元件重新修改编辑并另存为副本；笔者推荐另一种方法：执行Design菜单下的Make Library，对本电路中涉及的元件生成一个封装库，然后只添加这个库文件，再对其中的DIODE0.4进行编辑，将焊盘编号A改为１，K改为2，再更新PBC即可。还有一个问题是PCB中三极管和晶闸管的三个焊盘排列与实际引脚排列不一致，可以通过修改对应焊盘编号，再重新载入网络表的方法解决。为防止在制板腐蚀过程中断线，建议线宽不小于20mil；为防止钻孔时造成焊盘残缺，建议一般元件焊盘的直径不小于80mil、三极管和晶闸管焊盘的直径可用默认的62mil、集成块焊盘形状可用长圆形。由于原理图中个别元件端线未接上，网络表又未和原理图仔细核对，会造成PCB中部分元件焊盘缺少飞线，可以用修正原理图后重新生成网络表，重新载入的办法解决，或直接双击该焊盘在advanced标签面中指定其网络的办法补救。布线时不要采用全自动方式，要采用手工自动交互方式。灵活应用Auto Route菜单下的Net、Connection和Component命令，每次布线后及时保存，一旦不满意，及时撤销上一步或执行Tools菜单下Un-Route中的对应命令进行拆除。有时执行一步布线命令后，多处布线会发生变化，效果又不好，且无法通过撤销工具按钮回到布线前的状态，这时可关闭项目文件并选择不保存，然后重新打开即可。PCB元件布局及布线参见图２。
第三阶段：印刷电路板制作和焊装
采用经济简单的办法制作印刷电路板：用普通的激光打印机打印板图到热转印纸上，再通过热转印机将板图转印到切割好的单面敷铜板上，然后用三氯化铁溶液腐蚀，清洗后钻焊盘孔，再用细砂纸打磨后涂助焊剂。打印板图时注意应只选择BottomLayer和Multi Layer，颜色设置为Black & White。打印质量与热转印纸和打印机都有关系，笔者试了４台打印机才取得满意的效果，打印板图效果见图３。
热转印前敷铜板要清洗干净并晾干，用打印有板图的热转印纸将敷铜板对正包紧，在热转印机中过２～３遍，冷却后稍有余温时揭开热转印纸效果较好。个别地方有断线，可用油性笔描好，如果断线残缺较多就须用细砂纸打磨掉重新转印。腐蚀时为加快速度，可将三氯化铁溶于温水中，并在腐蚀过程中晃动容器。腐蚀完成后一定要反复清洗干净。焊接时要注意驻极体话筒的极性不能接错，光敏电阻要实测其亮电阻和暗电阻，电路中的R9阻值应介于二者之间。光敏电阻的引脚不要剪短，可用绝缘套管套上后焊于电路板上。
检验工具制作如下：用一根带插头的电源线，两根线分别接到白炽灯座内，从中间剪断分别接上一只鳄鱼夹。检验时分别夹住电路板的两根引出线，插头插入电源灯亮，过数十秒后灯灭，外界发生声响灯应该仍然不亮；用不透光的纸盒盖住电路板，外界再发出声响灯就会亮，数十秒后自动熄灭。
常见故障现象及检修方法如下：接上电源灯不亮，原因可能是整流二极管或晶闸管虚焊、晶闸管内部开路、三极管T1击穿短路。灯一直亮，原因可能是R3、C2虚焊、C2漏电、三极管T1击穿短路、三极管T1虚焊。灯灭后无光有声也不亮，原因可能是R9电阻偏大，话筒两根线均与外壳短路、话筒虚焊、电容C2、C4虚焊、电阻R12、R13虚焊。检修过程中要注意晶闸管关断时，稳压管电压为12V，晶闸管导通时电压才为１V左右。
本课题通过原理分析可以使学生懂得光控、声控过程以及延时的原理，加深对相关的理论知识的理解；通过印刷电路板设计制作，可以巩固和提高对PCB设计软件的操作水平；通过电路焊接组装及故障分析排除，可以提高学生分析和解决问题的能力，增强自信心，从而进一步激发他们对学习电子技术的兴趣。
参考文献：
[1]郭勇.EDA技术[M].北京:高等教育出版社,2004.
[2]余家春.Protel99SE电路设计实用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[3]吴桂秀.电子小制作入门[M].杭州:浙江科学技术出版社,2002.